Thèse en cours

Simulation atomistique et modélisation micromécanique des couplages chimio-mécaniques en présence de défauts cristallins

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Auteur / Autrice : Joe Petrazoller
Direction : Thiebaud RichetonJulien Guénolé
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Equipe de recherche : DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)

Résumé

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Les propriétés mécaniques, physiques et chimiques des polycristaux métalliques sont fortement influencées par les interactions mutuelles entre les défauts de la microstructure comme les atomes de solutés, les dislocations et les joints de grains. En particulier, la ségrégation des atomes de soluté aux joints de grains affecte de manière significative plusieurs de leurs propriétés comme leur énergie, leur cohésion ou leur mobilité, et modifie en conséquence le comportement du matériau du point de vue de sa résistance intergranulaire ou de sa capacité à recristalliser. Les interactions entre atomes de soluté et dislocations ont également de multiples conséquences, notamment sur la transmission du glissement aux joints de grains et la formation d'instabilités de déformation. Ainsi, la compréhension des couplages chimio-mécaniques entre atomes de soluté et les défauts à une (dislocation) ou deux (joint de grains) dimensions est un prérequis fondamental afin d'aider à la conception de nouveaux matériaux répondant aux défis environnementaux futurs, comme par exemple concernant le transport et le stockage de l'hydrogène. Dans cette thèse, nous souhaitons évaluer à l'échelle atomique les effets discrets de la présence d'atomes de soluté sur les énergies d'excès et les champs élastiques de défauts cristallins. Nous nous reposerons sur les méthodes de statique moléculaire, de nudge elastic band (NEB) et de dynamique moléculaire qui permettent l'étude des interactions entre défauts et interfaces. En parallèle, nous souhaitons développer des modèles continus d'interactions entre atomes de soluté, dislocations et joints de grains en élasticité anisotrope. Les joints de grains seront modélisés par des arrangements de dislocations pour les joints de faible désorientation et des arrangements de désinclinaisons pour les joints de forte désorientation. Les atomes de soluté seront décrits comme des inclusions d'Eshelby avec des déformations libres purement dilatationnelles en première approximation ou avec des déformations libres plus générales déduites de simulations atomistiques. La connaissance de ces déformations libres permettra de calculer les champs élastiques à longue distance dus aux solutés ainsi que les interactions élastiques avec les autres défauts de la microstructure. Les champs élastiques des dislocations seront eux calculés à l'aide des méthodes de Stroh en élasticité anisotrope 2D. Enfin, il est prévu d'étendre la méthode thermodynamique de surface de division de Gibbs afin de calculer l'énergie d'excès aux joints de grains en présence de solutés. L'ensemble de ces méthodes continues seront itérativement enrichies et validées par les simulations discrètes à l'échelle atomique. Les applications concerneront pour commencer des systèmes relativement simples et connus, tel que les solutés d'Al dans une matrice de Cu, pour aller rapidement vers des systèmes plus complexes à fort potentiel. Le choix de différents types de système permettra de tester et valider la robustesse des transferts entre les approches atomistiques et micromécaniques.